Les propulseurs à plasma utilisés sur les satellites pourraient être beaucoup plus puissants qu’on ne le pensait

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Les propulseurs à plasma utilisés sur les satellites pourraient être beaucoup plus puissants

La lueur du plasma du propulseur H9 MUSCLE Hall lors d’un test avec un propulseur au krypton. Crédit : Laboratoire Plasmadynamique et Propulsion Electrique

On pensait que les propulseurs Hall, un type efficace de propulsion électrique largement utilisé en orbite, devaient être gros pour produire beaucoup de poussée. Maintenant, une nouvelle étude de l’Université du Michigan suggère que des propulseurs Hall plus petits peuvent générer beaucoup plus de poussée, ce qui en fait potentiellement des candidats pour des missions interplanétaires.

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“Les gens pensaient auparavant que vous ne pouviez pousser qu’une certaine quantité de courant à travers une zone de propulseur, ce qui se traduit directement par la force ou la poussée que vous pouvez générer par unité de surface”, a déclaré Benjamin Jorns, professeur agrégé d’ingénierie aérospatiale à l’UM. a dirigé la nouvelle étude sur les propulseurs Hall qui sera présentée au Forum AIAA SciTech à National Harbor, Maryland, aujourd’hui.

Son équipe a défié cette limite en faisant fonctionner un propulseur Hall de 9 kilowatts jusqu’à 45 kilowatts, en maintenant environ 80 % de son efficacité nominale. Cela a augmenté la quantité de force générée par unité de surface de près d’un facteur 10.

Que nous l’appelions un propulseur à plasma ou un moteur ionique, la propulsion électrique est notre meilleur pari pour les voyages interplanétaires, mais la science est à la croisée des chemins. Alors que les propulseurs Hall sont une technologie éprouvée, un concept alternatif, connu sous le nom de propulseur magnétoplasmadynamique, promet de fournir beaucoup plus de puissance dans des moteurs plus petits. Cependant, ils n’ont pas encore fait leurs preuves à bien des égards, y compris la durée de vie.

On croyait que les propulseurs Hall étaient incapables de rivaliser en raison de leur mode de fonctionnement. Le propulseur, généralement un gaz rare comme le xénon, se déplace à travers un canal cylindrique où il est accéléré par un puissant champ électrique. Il génère une poussée vers l’avant lorsqu’il part à l’arrière. Mais avant que le propulseur puisse être accéléré, il doit perdre quelques électrons pour lui donner une charge positive.






Les électrons accélérés par un champ magnétique pour courir dans un anneau autour de ce canal – décrit comme une “scie à bourdonnement” par Jorns – font tomber les électrons des atomes propulseurs et les transforment en ions chargés positivement. Cependant, les calculs ont suggéré que si un propulseur Hall essayait de conduire plus de propulseur à travers le moteur, les électrons sifflant dans un anneau seraient expulsés de la formation, brisant cette fonction de “scie à bourdonnement”.

“C’est comme essayer de mordre plus que vous ne pouvez mâcher”, a déclaré Jorns. “La scie sauteuse ne peut pas se frayer un chemin à travers autant de matériaux.”

De plus, le moteur deviendrait extrêmement chaud. L’équipe de Jorns a mis ces croyances à l’épreuve.

“Nous avons nommé notre propulseur le H9 MUSCLE parce qu’essentiellement, nous avons pris le propulseur H9 et en avons fait une voiture musclée en le tournant jusqu’à ’11’ – vraiment jusqu’à cent, si nous allons par une mise à l’échelle précise”, a déclaré Leanne Su, étudiante au doctorat en génie aérospatial qui présentera l’étude.

Ils ont résolu le problème de la chaleur en la refroidissant avec de l’eau, ce qui leur a permis de voir à quel point la panne de la scie sauteuse allait être un problème. Il s’avère que ce n’était pas trop compliqué. Fonctionnant avec du xénon, le propulseur conventionnel, le H9 MUSCLE a fonctionné jusqu’à 37,5 kilowatts, avec une efficacité globale d’environ 49 %, pas loin de l’efficacité de 62 % à sa puissance nominale de 9 kilowatts.

Fonctionnant au krypton, un gaz plus léger, ils ont maximisé leur alimentation électrique à 45 kilowatts. Avec une efficacité globale de 51%, ils ont atteint leur poussée maximale d’environ 1,8 Newtons, à égalité avec le propulseur Hall X3 de classe 100 kilowatts beaucoup plus grand.

Les propulseurs à plasma utilisés sur les satellites pourraient être beaucoup plus puissants

L’étudiant au doctorat Will Hurley quitte la chambre où le nouveau propulseur à plasma Hall est testé au laboratoire PEPL. Crédit : Marcin Szczepanski/Michigan Engineering

“C’est un peu un résultat fou parce que généralement, le krypton fonctionne bien moins bien que le xénon sur les propulseurs Hall. C’est donc très cool et une voie à suivre intéressante pour voir que nous pouvons réellement améliorer les performances du krypton par rapport au xénon en augmentant la densité de courant du propulseur, “, a déclaré Su.

Les propulseurs Hall imbriqués comme le X3 – également développés en partie par UM – ont été explorés pour le transport de fret interplanétaire, mais ils sont beaucoup plus gros et plus lourds, ce qui rend difficile le transport d’humains. Désormais, les propulseurs Hall ordinaires sont de retour sur la table pour les voyages en équipage.

Jorns dit que le problème de refroidissement nécessiterait une solution digne de l’espace si les propulseurs Hall devaient fonctionner à ces puissances élevées. Pourtant, il est optimiste que les propulseurs individuels pourraient fonctionner à 100 à 200 kilowatts, disposés en réseaux qui fournissent une poussée d’un mégawatt. Cela pourrait permettre aux missions avec équipage d’atteindre Mars même de l’autre côté du soleil, parcourant une distance de 250 millions de miles.

L’équipe espère poursuivre le problème de refroidissement ainsi que les défis liés au développement de propulseurs Hall et de propulseurs magnétoplasmadynamiques sur Terre, où peu d’installations peuvent tester des propulseurs au niveau de la mission Mars. La quantité de propulseur s’échappant du propulseur est trop rapide pour que les pompes à vide maintiennent les conditions à l’intérieur de la chambre d’essai comme dans l’espace.

Plus d’information:
Leanne L. Su et al, Fonctionnement et performances d’un propulseur Hall à blindage magnétique à des densités de courant ultra-élevées, Forum AIAA SCITECH 2023 (2023). DOI : 10.2514/6.2023-0842

Fourni par l’Université du Michigan

Citation: Les propulseurs à plasma utilisés sur les satellites pourraient être beaucoup plus puissants qu’on ne le croyait auparavant (2023, 24 janvier) récupéré le 25 janvier 2023 sur https://phys.org/news/2023-01-plasma-thrusters-satellites-powerful-previously.html

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